沈阳工业大学学报

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    电气工程
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    构网型新能源调频控制技术综述
    李卫星, 潘韵同, 马欣彤, 晁璞璞, 孙广宇, 金泳霖
    2025, 47(5): 545-557. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.01
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    【目的】随着新能源占比的持续提升,基于锁相环同步的传统跟网型控制在弱电网条件下逐渐暴露出稳定性不足的缺陷,具备自主同步源特性的构网型控制逐步成为热点解决方案,但当前研究大多聚焦于其电压或同步稳定特性,较少关注其频率调节能力和特性。【方法】本文概述了下垂控制、虚拟同步机控制、匹配控制和虚拟振荡器控制这4种主流构网型控制方式的发展进程和调频控制原理,并从控制环路、适用场景等方面分析了以上方式的优势与不足。在此基础上,构建了新能源并网仿真模型,模拟分析了不同调频控制在多样化场景下的调频响应特性,总结了构网型控制在策略优化、参数整定和多机协同等方面所面临的挑战,并对其发展趋势进行了展望。【结果】下垂控制通过响应系统频率偏差调节机组有功功率,具有结构简单、电网强度适应性强的优点,但该控制方式缺乏惯量支撑,调频性能相对较弱;虚拟同步机控制在下垂控制的基础上,模拟了传统同步机的惯量响应特性,能更好地抑制系统频率变化性能,但面临参数整定、故障穿越和多机协同等挑战;匹配控制以直流电容的动态特性模拟传统同步机惯量特性,抑制了系统频率变化性能,但难以在频率暂稳态区间长期为系统提供支撑;虚拟振荡器控制因幅值和频率由振荡器动态方程直接生成,调频响应类似下垂控制,但输出谐波含量较高难以满足并网要求。【结论】虚拟同步机控制在参与系统调频中凭借其兼顾调频性能和电网强度适应性的技术优势,成为构网型控制中最具前景的研究方向,但需要突破同步稳定、故障穿越和协同控制等技术难题。未来应针对控制策略与参数优化、多机协同控制等方面进行深化研究,进而推动构网型控制的规模化应用。
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    基于特征选择的配电网工程造价预测模型
    徐宁, 李维嘉, 周波, 刘云, 李洁
    2025, 47(5): 558-565. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.02
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    【目的】配电网工程造价受规模容量、设备材料成本、地理条件等多维度因素影响,传统统计方法难以有效处理高维非线性数据,而现有机器学习方法虽引入特征降维技术,但仍存在一定局限性,主成分分析(PCA)虽能降低维度却牺牲了预测精度,而灰色关联分析(GRA)忽略了特征间的交互作用。因此,亟须构建一种既能保留关键特征信息、又能兼顾特征间复杂关系的预测方法。通过融合递归特征消除(RFE)法与随机森林(RF)算法构建RFE-RF预测模型,旨在解决特征冗余与非线性建模难题。【方法】采用“特征选择-模型构建-实验验证”技术路线,选用RFE法进行特征选择,通过迭代训练模型逐步剔除对预测贡献最小的特征并保留最优特征子集。采用RF算法进行模型构建,基于集成学习思路构建多棵决策树,通过平均化输出结果有效抑制过拟合,提升模型鲁棒性。RF对噪声数据不敏感且能量化特征重要性,可为RFE提供可靠的特征排序依据,从而可将RFE嵌入RF训练流程形成闭环优化过程。【结果】选用某电网公司190个配电网工程项目数据,数据涵盖电压等级、线路长度、设备价格等21个初始特征,对分类型特征进行数值化映射并保留原始分布特征。通过五折交叉验证与均方根误差优化,确定包括线路长度、电缆综合价格、电压等级等关键因素的12个最佳特征子集。与传统线性回归(LR)算法、随机森林算法、基于互信息的随机森林(MI-RF)算法相比,RFE-RF算法在测试集上的预测平均绝对误差为8.6579,预测平均绝对百分误差为6.97％,显著优于其他算法。RFE-RF算法在测试集的平均绝对误差仅比训练集增加约4.5％,其过拟合风险低于其他算法,表明可以通过特征选择有效提升算法稳定性。【结论】特征选择成为提升配电网造价预测精度的关键,RFE法能够通过动态迭代来剔除冗余特征,显著降低数据维度与噪声干扰。RFE-RF模型兼具高精度与强解释性,其平均绝对误差相比传统模型大为降低,且能够清晰量化不同特征对造价的影响权重。将RFE与RF结合应用于配电网造价预测,能够解决特征交互与冗余筛选难题,可为复杂工程系统的数据建模提供新范式。RFE-RF模型可为电网企业提供精准造价预测工具,辅助投资决策与成本控制,推动配电网工程建设的智能化与精细化,并可通过揭示特征选择对机器学习模型泛化能力的影响机制,为高维非线性数据的特征优化提供实践参考。
  • 电气工程
    含高渗透率光伏电源的配网台区停电故障预测方法
    张舒寒, 白雪, 王炎亭, 王静
    2025, 47(5): 566-574. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.03
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    【目的】随着全球能源结构的转型与清洁能源的大力发展,高渗透率光伏电源在配网台区中的接入比例日益增加。然而,光伏电源受光照强度、温度等自然因素影响,其输出功率具有显著的波动性和不确定性。当大量此类电源接入配网台区时,会引发电网电压波动、频率变化等一系列问题,进而给停电故障预测工作带来巨大挑战。传统的停电故障预测方法在面对含高渗透率光伏电源的复杂配网环境时,难以准确捕捉故障特征,导致其预测准确度下降、效率降低,无法满足配网台区稳定运营的需求。【方法】为了提升预测准确度和效率,提出含高渗透率光伏电源的配网台区停电故障预测方法。建立光伏电源接入电网模型,分析接入后的光伏电源对配网台区故障电流的影响机制。通过该模型清晰了解光伏电源在不同运行工况下对电网故障,电流大小、分布等方面的影响,为后续故障区域推断提供理论基础。结合电网拓扑结构和负载不均衡特征,推断可能发生停电故障的区域。电网拓扑结构反映了电网中各元件的连接关系,负载不均衡特征则体现了不同区域负荷的差异情况,综合考虑这两方面因素,更准确地定位潜在故障区域。引入潮流熵判断电路负荷是否处于临界状态。同时,提取发生故障区域线路包含故障发生时的关键信息的潮流值特征。将提取的特征输入经过优化的SA-SAE中进行训练,通过对大量样本数据的学习,自动挖掘数据中的潜在规律,实现配网台区停电故障的精准预测。【结果】实验结果表明,本文方法在含高渗透率光伏电源的配网台区故障定位中预测准确度较高,准确识别了故障区段(K5~K8线路的3~6段)和故障类型,且预测耗时仅为2.236s,显著优于对比方法。【结论】通过综合考虑光伏电源接入影响、电网拓扑、负载特征等多方面因素,并运用潮流熵和SA-SAE,可以实现对配网台区停电故障的高准确度、高效率预测。本文方法不仅有助于提高配网台区停电故障预测的准确性和及时性,降低停电事故发生的概率,减少经济损失,还能为电网的规划、运行和维护提供有力支持,保障配网台区的稳定运营,推动清洁能源在配网中的大规模应用。
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    基于虚拟弹簧的hp自适应伪谱法在无人机编队航迹规划中的应用
    李翔, 罗望春, 石志彬, 张兴华, 刘洪驿
    2025, 47(5): 575-583. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.04
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    【目的】随着无人机在电力巡检、应急救援等复杂场景中应用需求的不断提升,单架无人机在任务执行时的局限性日益突出。多无人机编队能够有效提升巡检效率、扩大作业覆盖范围,但在实际应用过程中,编队队形保持、航迹协同优化及对复杂环境的适应能力仍面临诸多挑战。针对无人机集群在平面大机动飞行过程中的队形保持与路径优化难题,提出了一种结合虚拟弹簧力和hp自适应伪谱法的最优控制方法,旨在提升无人机编队协同飞行的稳定性、灵活性及抗干扰能力,为电力巡检等无人机高要求场景提供技术支撑。【方法】建立多无人机系统的动力学模型,并将虚拟弹簧机制引入编队控制体系,实现机间柔性约束和弹性自调节。通过将虚拟弹簧法与传统领航跟随法结合,设计了一种可兼顾队形刚性支撑与自适应调整能力的编队策略。在此基础上,采用hp自适应伪谱法对无人机编队的最优控制问题进行求解。该方法通过在Legendre-Gauss节点上离散状态量与控制量,构造全局插值多项式,将无人机编队路径优化问题转化为非线性规划问题,并结合动力学、能耗、速度等约束条件进行高精度数值求解。仿真实验中,设定了典型的四机菱形编队场景,全面考察了算法在不同地形、风扰和任务需求下的适应性。【结果】仿真结果显示,基于虚拟弹簧的hp自适应伪谱法能够有效实现无人机编队的平滑转弯和速度控制。在编队90°大机动转弯过程中,无人机不仅能够满足航迹偏转、速度变化等多重约束,还能保持良好的编队队形。与传统领航跟随法和人工势场法相比,本文方法在位置误差、队形保持、抗风扰能力等方面均表现出显著优势。在10m/s强风干扰情形下,本文方法队形稳定性可达70％以上,显著优于其他对比算法。三维地形仿真和实际飞行测试进一步验证了算法的适应性和鲁棒性,方法在丘陵、山区、峡谷等多种地形下,依然能够维持较低的队形变形率和较小的航迹跟踪误差,能耗控制合理,具备较强的工程实用性。【结论】本文创新性地将虚拟弹簧弹性约束机制与hp自适应伪谱法深度融合,提出一种适用于复杂环境下多无人机编队航迹规划的最优控制技术。该方法不仅突破了传统编队的刚性约束,实现了队形的柔性保持和自适应调整,还显著提升了编队航迹优化的精度与效率。研究结果为无人机集群在电力巡检、应急救援等高难度任务中的协同编队飞行提供高效、可靠的技术路径。后续研究可进一步拓展该方法在多编队协同、复杂障碍环境下的应用潜力,推动无人机编队的智能化、实用化发展。
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    内置式正弦磁极永磁电机性能分析
    甄东芳, 孙大伟, 刘明凯, 王通, 马增华, 宋宏志, 刘源
    2025, 47(5): 584-593. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.05
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    【目的】内置式永磁(interior permanent magnet,IPM)电机因具有结构稳定、效率和功率因数高等优点被广泛用作井下潜油电机,油井井筒直径的限制和高温工作环境要求潜油永磁电机具有较高的转矩密度和较强的永磁体抗退磁能力。本文提出一种由一字型磁极和弓形磁极合成的正弦磁极,充分利用一字型磁极上方的转子空间,增加永磁体用量和d轴永磁体厚度,达到提高IPM电机功率密度和抗退磁能力的目的。【方法】保持一字型磁极尺寸恒定,采用有限元法分别研究了弓形磁极矢高对IPM电机短路电流、抗退磁能力以及空载和负载电磁性能的影响,并分析了内在原因。此外,采用等效圆环法研究了磁极矢高对转子铁心最大应力影响,保证转子机械强度。【结果】随着正弦磁极矢高的增加,尽管IPM电机的短路电流会随之增加,但其永磁体展现出更强的抗退磁能力;增加矢高虽会增加转子铁心的最大应力,但其最大应力远小于铁心材料的屈服应力,机械强度能满足实际需求;矢高较小时对IPM电机磁阻转矩的影响可以忽略,当矢高大于3 mm后,其磁阻转矩最大值随矢高的增加而下降明显,但总输出转矩一直随着矢高的增加而增加,转矩波动则随之减小。【结论】综合考虑磁极矢高对电机性能影响,选择了合适的正弦磁极尺寸,制造了样机并进行试验;试验结果与二维有限元仿真结果吻合良好,验证了提出的正弦磁极结构能有效提高IPM电机的转矩密度和抗退磁能力,为内置式永磁电机转子磁极设计提供了新的思路。
    • 信息科学与工程
  • 信息科学与工程
    面向多标签隐性知识的文本数据挖掘算法
    邓乔夫, 李骁娅, 郭校君
    2025, 47(5): 594-601. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.06
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    【目的】随着社交软件用户群体的不断扩大,越来越多的平台采用多标签标注对文本信息进行分类。如何通过多标签文本数据挖掘来分析用户行为与心理,已成为当前研究的热点问题。本文基于深度主题特征提取模型,提出了一种面向多标签隐性知识的数据挖掘算法,以提升文本分类的准确性和数据挖掘的效率。【方法】针对多标签文本数据中隐性知识的显性化问题,基于SECI理论对文本信息中的隐性知识进行显性化转换,并利用循环神经网络的短时记忆能力提高隐性知识的转换效率。在此基础上,考虑到文本信息的复杂性,分别从局部特征和全局特征两个维度进行分析,并采用特征融合策略提高数据挖掘的准确性。由于文本信息前后文关联性较强,利用基于长短期记忆网络(LSTM)模型的门控机制,提取文本的上下文信息,以捕捉文本中的序列依赖关系;采用潜在狄利克雷分配(LDA)模型,对文本的主题结构进行建模,从而避免因人工标注标准差异导致的模型训练偏差;通过特征拼接的方式,并结合LDA主题模型和LSTM模型提取的局部及全局特征,以降低特征提取过程中信息丢失的风险;引入主题控制器,通过缩小推理范围,提高文本特征提取的有效性;构建基于高斯解码器的上下文主题层,计算词汇在特定主题下的条件概率矩阵,并利用高斯混合解码器优化文本主题建模,提高文本内容的扩充能力;使用Softmax函数计算各标签的概率,实现多标签文本分类。【结果】对比实验中,使用困惑度作为模型训练的评估指标。结果表明,本文模型的困惑度优于对照组(LDA主题模型与LSTM模型),验证了LDA与LSTM结合的特征拼接策略可有效发挥两种模型的优势。此外,与NVDM、LSTM、LDA和VAETM模型进行对比,以准确率和查全率为评估指标,本文模型在准确率和查全率方面分别提升了5.05%和2.75%,表明其在多标签文本分类任务中的有效性与优越性。【结论】对比实验结果表明,本文模型能够显著提升文本分类的性能,相比LDA主题模型和LSTM模型,在处理多标签文本时表现更优;能够高效挖掘多标签文本数据中的隐性知识,为文本分类、语义分析和信息检索等任务提供了一种高效、精准的解决方案。
  • 信息科学与工程
    五维混沌系统的切换幅值控制
    郑莉, 魏君
    2025, 47(5): 602-608. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.07
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    【目的】受有限稳压直流电源影响,进行混沌电路设计与实现时,需要对混沌系统的各个变量进行幅值控制,即变量压缩成为了必不可少的前提条件。目前,对混沌系统吸引子的几何控制,如幅值控制、偏置控制等是混沌系统研究的热点方向。在已有方法基础上,提出了一种新的幅值控制方法,期望挖掘混沌系统中更多的潜在应用。【方法】本文提出了一个五维混沌系统,利用三维相图和李雅普诺夫(Lyapunov)指数验证了该系统的混沌性;分别对这个系统两个方程中的状态变量-u取绝对值,得到两个新的切换混沌系统,比较新系统和混沌系统相图,其幅值发生了变化且形状高度相似,实现了全局调幅;第2个方程中的状态变量-u取绝对值后为忆阻混沌系统,由3个不同频率下的紧磁滞回线验证了忆阻器的真实性,对忆阻混沌系统进行了详细分析,在系统的3个非线性项中加入参数k,吸引子在5个维度上的振幅均值会随之发生变化,说明忆阻混沌系统含有全局调幅参数;由随忆阻参数a变化的Lyapunov指数谱验证了忆阻混沌系统存在多稳态,随忆阻参数a变化的信号绝对均值和相图证明了忆阻参数a选择合适值时,能实现全局调幅。【结果】忆阻混沌系统的模拟电路方程、等效电路图及混沌系统在示波器上的模拟相图结果与计算机仿真结果高度相似,表明混沌电路设计具有一定的可靠性。【结论】所提出的五维混沌系统混沌化程度较高,且提出基于忆阻变量的切换变幅理论,为忆阻混沌系统的研究提供了新的方向。未来可以尝试以曲面为切换面,并通过计算机仿真实验,进一步研究切换变幅现象是否广泛存在于忆阻混沌系统中,并对其存在原理进行探索。系统在5个维度上的示波器相图与计算机仿真实验结果高度吻合,说明该系统维度高、混沌性强,具有切换幅值控制等特性,使其在工程应用上具有良好前景。
  • 信息科学与工程
    基于BERT-BiLSTM-CRF的工业控制协议逆向工程
    连莲, 李素敏, 宗学军, 何戡
    2025, 47(5): 609-616. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.08
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    【目的】工业控制协议解析是工业互联网安全中的关键环节,但传统方法存在普适性差和准确率低的问题,导致协议解析效率低下,难以满足实际工业场景中对高精度和高适应性解析的需求。【方法】提出一种基于深度学习模型的工业控制协议逆向解析方法,通过结合BERT预训练模型、双向长短期记忆网络(BiLSTM)和条件随机场(CRF),提升协议解析的普适性和准确率,为工业控制系统的安全分析和漏洞挖掘提供技术支持。首先,利用BERT预训练模型对工业控制协议数据进行动态词向量编码,将协议数据转化为高维向量,以捕捉协议数据的语义信息。BERT预训练模型通过其强大的上下文理解能力,能够有效处理复杂且多样的协议数据。其次,采用双向长短期记忆网络对协议数据之间的关系以及协议数据与标签数据之间的关联性进行建模。双向长短期记忆网络能够捕获协议数据中的长距离依赖关系,从而更好地理解协议的结构和语义。最后,引入条件随机场作为约束条件,对工业控制协议的格式和语义进行最优预测。条件随机场通过引入标签之间的转移概率,进一步提高了预测的准确性和一致性。通过BERT预训练模型、双向长短期记忆网络和条件随机场的结合,实现了对工业控制协议的格式提取和语义分析。此外,本文方法还针对大规模协议数据进行了优化,确保其在处理复杂工业场景时的高效性和稳定性。【结果】针对三种典型工业控制协议展开实验,结果表明本文方法在格式提取和语义分析上的精度均超过96％,较传统方法有所提升,在不同协议上均表现出高适应性和准确性,能够有效识别字段边界与语义信息。【结论】本文方法显著提升了工业控制协议解析的普适性和准确率,为工业控制系统的安全分析提供了可靠的技术支持。未来将进一步优化模型,拓展应用场景,提升方法的实用性。
  • 信息科学与工程
    基于双场力磁耦合的管道应力检测方法
    田野, 陈海艳, 高富超, 丁融, 王国庆
    2025, 47(5): 617-626. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.09
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    【目的】随着油气管道运输规模的不断扩大,管道安全检测的重要性日益凸显。管道缺陷处的应力集中是导致裂纹扩展和断裂事故的主要原因,然而现有检测方法难以实现应力的定量化评估。本文提出一种基于双场力磁耦合的管道应力检测方法,结合管道不同应力状态下J-A模型参数的变化情况,建立了磁应力检测模型;分别确定了不同弹性应力、塑性应变和不同外磁场对磁化强度和磁信号特征的影响。【方法】研究基于磁应力检测原理、J-A模型与磁荷理论,通过分析不同阶段应力和不同外磁场对磁化强度和磁信号的影响,找出不同外磁场和不同阶段应力下磁滞回线和磁化强度的关系及不同应力、不同磁场下轴、径向信号的变化特征。引入比例系数建立双磁场应力检测模型,并建立双磁场法弹、塑性应力检测模型。最后采用实验对该理论进行验证。推导弹性应力与塑性应变阶段的等效磁场强度公式,明确钉扎系数、形状系数及畴壁耦合系数随应力的变化规律。以X80管道钢为试件进行实验,在10~80kN拉力和0~10A/m外磁场下进行拉伸实验,测量磁信号特征。【结果】结果显示,不同外磁场与应力裂纹轴向分量磁信号特征均存在峰值,且峰值位置不随外磁场与应力的增加而发生波动。切向峰值随外磁场的增加而增加,与理论计算结果一致。实验结果表明,模型在应力较大时与实测结果高度吻合,误差较小;低应力下因参数拟合偏差存在一定误差,但整体验证了模型的可行性。【结论】在弹性阶段,拉应力使磁滞回线先逆时针后顺时针旋转,弱磁场下磁化强度变化显著,强磁场下应力影响微弱。在塑性阶段,塑性应变降低了磁化曲线斜率,初始磁化曲线和磁滞回线均顺时针旋转,弱磁场下磁化强度变化更为明显。磁化强度与磁信号成比例关系,将强磁信号与磁化强度的比值作为比例系数,该比例系数仅与缺陷尺寸有关,由此建立双磁场检测应力模型。模型计算得到的应力值在应力较大的情况下准确率较高,检测模型具有一定的应力检测能力。本文将双磁场法与J-A理论结合,提出基于比例系数的弹塑性应力分离模型,建立双磁场法弹、塑性应力检测模型,解决了传统方法中缺陷与应力信号混叠的难题。为油气管道缺陷处应力检测提供了高精度、可量化的技术方案,对预防管道事故、保障能源运输安全具有重要意义。
    • 材料科学与工程
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    激光冲击对铝合金焊接接头组织性能的影响
    刘政军, 邓晓萌, 吴秋林
    2025, 47(5): 627-634. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.10
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    【目的】6061铝合金因其具有良好的综合性能而被广泛应用,但其焊接接头质量存在一定局限性。本文采用激光冲击强化方法,有效提高了6061铝合金焊接接头质量,并深入探究了激光冲击强化前后焊接接头的力学性能和组织变化规律,同时剖析了其内在的影响机理,从而为铝合金焊接工艺的优化提供坚实的理论依据和实践指导。【方法】选取6061铝合金焊接接头为研究对象,运用激光冲击强化技术对其表面进行处理。在处理过程中,严格控制激光的脉冲激光频率、冲击范围、脉宽及搭接率等参数,研究不同激光能量对6061铝合金焊接接头质量的影响,分析焊接接头在激光冲击强化前后的力学性能指标,如抗拉强度和硬度等,同时借助光学显微镜、扫描电镜以及电子背散射衍射微观组织分析技术,观察和对比焊缝处的晶粒尺寸、冲击层厚度等微观结构特征的变化情况。【结果】首先,激光能量与焊接接头的抗拉强度呈现明显的正相关性,即随着激光能量逐步增大,焊接接头的抗拉强度也随之稳定上升。其次,对焊缝表面进行硬度检测,发现经激光冲击强化后,焊接接头硬度得到了显著提升,提高幅度最高可达23％。最后,从微观结构来看,激光冲击层厚度发生了明显变化,由初始的15.83μm大幅增加到30.77μm,这表明激光冲击对材料表面产生了深层次的影响。同时,焊缝中心的晶粒尺寸也有明显变化,由原来的33.68μm减小到14.5μm,晶粒变得更加细小,微观组织得到了优化。【结论】综合上述研究结果可知,激光冲击强化技术在6061铝合金焊接接头处理中能展现出卓越的效果。金属材料表面产生的高能量能够有效减少塑性变形对材料表面及内部的不良影响,促使晶粒细化,这是改善焊接接头力学性能的关键因素。通过激光冲击强化处理,焊接接头的抗拉强度和硬度均得到有效改善,这不仅有助于提升6061铝合金焊接结构在实际应用中的可靠性和耐久性,还为进一步拓展铝合金在高端制造领域的应用范围提供了有力的技术支撑。未来可进一步深入研究激光冲击强化的最佳工艺组合参数,以实现对6061铝合金焊接接头质量更为精准和高效的提升,推动铝合金焊接技术的持续发展与创新。
  • 材料科学与工程
    Fe2O3/BiOBr复合光芬顿催化剂的制备及其RhB有机污染物处理机理
    尤俊华, 王芷薇, 李晶晶, 李宣皓
    2025, 47(5): 635-642. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.11
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    【目的】在世界工业化飞速发展的背景下,染料污水的肆意排放对生态环境与人类生活造成了严重威胁,因此,寻求一种高效、清洁、经济的污水处理方法已成为目前的研究热点之一。近年来,光芬顿催化技术在有机染料污水处理方面具有巨大优势。BiOBr是一种可见光响应性好、光稳定性强且具有层状结构的光催化剂,但其存在光生电子—空穴对易复合的问题。Fe2O3、Fe3O4、FeOOH和纳米零价铁等单金属铁在芬顿催化活性方面具有优异性能,且其在光引入后的光芬顿催化活性优势也得到了认可。【方法】将BiOBr与芬顿催化活性良好的铁基氧化物耦合或对其进行改性将有效提高有机污水的处理效率。为进一步提高光芬顿催化技术处理水中有机污染物的效率,采用沉淀法结合煅烧法制备了具有Z型异质结的Fe2O3/BiOBr复合光芬顿催化剂。利用XRD、SEM和TEM对复合催化剂进行表征,同时以罗丹明B(RhB)为有机污染物模型,研究了复合催化剂的光芬顿催化活性及其作用机制。【结果】Fe2O3/BiOBr复合光芬顿催化剂均具有比单体催化剂更优异的光芬顿催化活性,其中1.2％Fe2O3/BiOBr具有最高光芬顿催化活性(99.59％,60min),分别约为纯Fe2O3和BiOBr的24.8倍和3.6倍。电化学测试及自由基捕获实验结果表明,Fe2O3/BiOBr复合催化剂中的电子由BiOBr导带流向Fe2O3价带,实现了光生电子—空穴对的高效分离并促进了Fe2+的再生,从而提高了复合催化剂的光芬顿催化效率。【结论】1.2％Fe2O3/BiOBr复合催化剂在5次循环催化降解实验中均可实现对有机污染物的完全降解且催化降解效率并未下降,证明了此复合催化剂具有良好催化活性和催化稳定性,因而有望作为光芬顿催化剂应用于绿色、经济、高效的工业化污水处理过程中。
  • 材料科学与工程
    钾离子电池正极材料KVPO4F的制备及电化学性能表征
    孙会兰, 刘佳鑫, 李昭进, 袁飞, 王波
    2025, 47(5): 643-648. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.12
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    【目的】近年来锂离子电池发展遇到能量密度提升缓慢、成本居高不下与温度适应范围窄等瓶颈,而具有低成本和高能量密度的钾离子电池成为下一代大规模电化学储能体系的理想选择。氟代磷酸盐(KVPO4F)因具有坚固三维框架结构和高工作电压等优势,成为钾离子电池的首选正极材料。然而,较大尺寸的钾离子在充放电过程中反复嵌入/脱出会造成KVPO4F发生结构粉化,导致容量快速衰减且循环稳定性较差,由配位多面体共价键合成的结构限制了电子转移模式,极大地阻碍了KVPO4F正极材料的动力学性能,导致其倍率行为较差且实际容量较低。为了提高KVPO4F正极材料的容量、倍率与循环稳定性,通常采用元素掺杂、碳包覆、形貌工程等策略对其进行改性研究,以改善其储钾性能,但由于晶格间距、晶面暴露与V3+含量之间的不平衡性,KVPO4F正极材料的容量、倍率和循环稳定性很难同步提升。KVPO4F正极材料的合成通常包括两个连续的热处理步骤,包括VPO4前驱体的制备以及将VPO4与KF混合后进行二次煅烧生成KVPO4F。因此,VPO4的晶体结构势必会影响KVPO4F的颗粒尺寸、晶面取向,从而影响KVPO4F的储钾稳定性。【方法】采用溶胶凝胶—高温退火法制备了系列VPO4材料,研究了不同VPO4材料对终产物KVPO4F晶格与电化学性能的影响。【结果】不同温度下制备的VPO4会显著影响KVPO4F的晶格暴露强度、晶格间距和V3+含量,且随着温度从700 ℃升高到800 ℃,KVPO4F的晶格暴露强度、晶格间距和V3+含量均先增后减。当采用经750℃退火处理的VPO4作为前驱体时,制备的KVPO4F具有最强晶面暴露程度、最大晶格间距与最高V3+含量,确保其在充放电过程中具有优异的结构稳定性、离子迁移能力与离子存储数量。电化学性能测试结果表明,在0.2C(1C=131mA/g)下经过30次循环后,KVPO4F的比容量为57.3mAh/g,远高于相同条件下的对照样品。此外,在0.2、0.5、1和2C下KVPO4F的可逆比容量分别为62.1、53.8、44.6和30.6mAh/g。【结论】基于VPO4调控确定了前驱体VPO4对终产物KVPO4F微观结构的影响规律,揭示了电化学性能改善的内在机制,为获得高容量KVPO4F正极材料奠下良好基础。
  • 材料科学与工程
    电场对单层硼烯热输运特性的调控机理
    孟晋, 李楠, 杨忠华, 周勃
    2025, 47(5): 649-655. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.13
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    【目的】材料热传输特性中的各向异性与各向同性是其基本属性之一,在实际应用中至关重要。然而,目前针对从各向异性到各向同性调控的研究主要依赖于结构设计或材料加工,这些方法耗时长、成本高且不可逆,极大限制了该特性在实际应用中的灵活性。为此,本文提出利用外加电场调控二维硼烯热传输特性的方案,探索一种无需改变材料原子结构即可实现稳定且可逆调控的新方法。【方法】基于第一性原理计算,结合声子玻尔兹曼输运方程,系统研究了外加电场对硼烯热传输特性的影响。通过量化电场强度对声子寿命、热导率及其各向异性的调控效应,系统揭示其内在物理机理,并以平面内两方向(x方向和y方向)热导率的比值作为各向异性变化的表征指标。【结果】在外加电场作用下,硼烯平面内两方向的晶格热导率显著增加且逐步达到峰值,最大增幅可达2.82倍;与此同时,热导率的本征各向异性比提升至峰值2.13。随着电场强度的进一步增加,热导率迅速下降,各向异性表现出振荡式衰减。当电场强度增加至0.4 V/Å时,热导率大幅下降,而各向异性比减小至1.25时,表现为近乎各向同性的热传输特性。进一步分析表明,这种从各向异性到各向同性的异常热传输转变,根本原因在于中等强度电场和高强度电场分别使声子寿命显著增强与大幅下降,从而对热导率产生放大或削弱的作用。【结论】通过外加电场调控声子寿命,可以在不改变材料原子结构的条件下实现对二维硼烯热传输稳定性和可逆性的精确调控。该方法有效克服了传统调控方法的局限性,为声子热传输各向异性的精准调控提供了新的理论和技术路径,尤其在纳米电子器件热管理和热电能量转换等领域展现出广阔的应用前景。
  • 材料科学与工程
    压力对宽间隙钎焊接头组织与性能的影响
    孙宇博, 袁晓光, 王志平
    2025, 47(5): 656-663. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.14
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    【目的】通常采用宽间隙钎焊方法修复航空发动机涡轮导向叶片裂纹损伤,而宽间隙钎焊接头在成型过程中易出现孔洞缺陷,导致钎焊接头高温力学性能下降。为抑制孔洞缺陷的形成,可在钎焊过程中施加一定压力抑制孔洞缺陷的产生,但钎焊压力对宽间隙钎焊接头组织与力学性能的影响机制尚不明确。【方法】采用不同钎焊压力制备宽间隙钎焊接头,采用拉伸试验、显微硬度表征、断口形貌观察、能谱分析与XRD分析等手段,揭示钎焊压力对宽间隙钎焊接头组织与力学性能的影响机制。【结果】在恒定钎焊温度下,当钎焊压力为10、20和50 kg且钎料与母材的质量比例为40:60时,宽间隙钎焊接头的拉伸强度分别为436.57、411.76和381.95 MPa,即宽间隙钎焊接头的拉伸强度随钎焊压力的升高而下降。钎焊接头断面显微硬度与能谱分析结果表明,随着钎焊压力的增大,钎焊接头断面处降熔元素和活性元素浓度偏高且显微硬度明显增大,即钎焊压力的增大会造成钎焊接头的显微硬度分布不均匀,诱发明显的应力集中现象,进而导致钎焊接头的强度随钎焊压力的增大而降低。XRD分析结果证实,钎焊过程中施加的钎焊压力造成钎焊接头与母材产生了明显的晶格畸变,钎焊压力越大,晶格扭曲程度越高,晶格畸变闭塞了降熔元素和活性元素的扩散通道,不利于元素扩散,导致钎焊接头与母材组织中降熔元素和活性元素产生富集,从而引发显微硬度分布不均匀,致使钎焊接头强度下降。通过焊后热处理或提升钎焊温度,有助于缓解晶格扭曲程度进而加强元素扩散,从而改善钎焊接头的力学性能。【结论】在宽间隙钎焊接头制备过程中施加一定压力,有助于抑制钎焊接头组织中孔洞缺陷的形成,但要充分考虑钎焊压力与温度对晶格畸变的矛盾作用关系,避免因钎焊压力过高而降低元素扩散能力。钎焊温度的提升有利于增强元素扩散,改善钎焊接头显微硬度分布的不均匀性,进而达到提升钎焊接头力学性能的效果。
    • 建筑工程
  • 建筑工程
    桥梁涡振抑制的风力机方法对主梁抖振的影响
    张洪福, 蔚来, 金松, 辛大波
    2025, 47(5): 664-673. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.15
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    【目的】随着大跨度桥梁悬索桥的快速发展,桥梁风振问题逐渐成为影响其安全性和舒适性的重要因素。小型水平轴风力机安装在桥梁上,不仅能够有效抑制桥梁的涡激振动,还能够提供风能用于桥梁附属设施的供电。然而,小型水平轴风力机对桥梁的影响尤其是对桥梁抖振响应的具体影响,尚未得到全面系统的研究。因此,本文旨在探讨小型水平轴风力机对桥梁抖振响应的影响规律,评估不同风力机布置方式对桥梁动态响应的具体影响,为风力机对桥梁风振的控制提供理论依据和实践指导。【方法】本文以丹麦大贝尔特桥的典型扁平箱梁为研究对象,采用风洞试验、有限元分析和谐波叠加等手段,结合大贝尔特桥的实际风环境和结构特性,模拟和分析了风力机对桥梁抖振响应的影响。在风洞试验中测量桥梁加装风力机后的静力三分力系数,依据相关数据生成桥梁受风荷载的时程响应数据。基于准定常假设和Davenport抖振力模型,结合有限元模型,计算并模拟了桥梁在不同风速下的动态响应。研究过程中设计了6种不同风力机布置方式,考虑了风力机转轴高度和布置间距等参数的变化,探讨了不同布置方案对桥梁横向、竖向位移和加速度响应的影响。【结果】结果表明,小型水平轴风力机的安装会在一定程度上增大桥梁的位移与加速度响应。然而,通过选择适当的风力机布置方案,可以在满足控制涡激振动的基础上,对桥梁的结构安全和舒适度影响较小。桥梁横向位移的增幅整体呈现随风力机叶片转轴高度的降低而减小的趋势。当风力机布置间距为3倍梁高时,竖向位移的增幅最小。此外,通过拟合风力机对桥梁的静风荷载,提出了桥梁安装风力机后的阻力和升力单位荷载估算公式,进而有效评估不同布置方案下风力机对桥梁的影响。【结论】通过合理布置风力机参数(转轴高度和布置间距),能够减小小型水平轴风力机对桥梁动态响应的影响,且不会对桥梁的结构安全及舒适度造成较大影响。风力机的安装高度和布置间距对桥梁的动态响应具有显著影响,应根据桥梁的具体情况选择合理的布置方案,以保证桥梁的结构安全性和舒适性。本文提出了关于风力机布置间距、转轴高度与桥梁风荷载数据之间的数学模型,为未来风力机对桥梁风振控制的优化提供了理论支持。
  • 建筑工程
    预应力自密实再生混凝土梁受弯性能有限元分析
    余芳, 胡敏, 姚大立, 吴凡
    2025, 47(5): 674-680. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.05.16
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    【目的】随着建筑行业对资源循环利用和可持续发展的需求增加,再生骨料在混凝土结构中的应用已成为研究热点。然而,再生骨料的力学性能与天然骨料存在差异,其自身抗拉强度、弹性模量低及脆性高等缺点不可避免地会对预应力自密实再生混凝土(PSRC)梁的受弯性能产生显著影响。为明确再生骨料在PSRC梁中应用的可行性,讨论分析了PSRC梁和预应力普通混凝土(PNC)梁的受弯性能差异。【方法】采用有限元分析方法进行研究,首先基于ABAQUS软件建立了PSRC梁和PNC梁有限元模型,通过对比模拟试件和试验试件的破坏形态、荷载挠度曲线以及极限荷载来验证建立模型的正确性和可靠性。其次在模型验证的基础上,对PSRC梁和PNC梁的开裂荷载、极限挠度、受弯承载力及受拉钢筋应变等性能指标进行了系统对比分析。最后基于受拉钢筋在开裂处的最大应变和平均应变模拟值,修正了受拉钢筋的不均匀系数,建立了PSRC梁最大裂缝宽度的计算式,并验证了其适用性和准确性。【结果】在相同配筋率下,PSRC梁较PNC梁的开裂荷载偏小,且两种混凝土梁的抗裂性能差距会随着配筋率的增大而逐渐减小;当配筋率在0.10％～2.24％范围内时,PSRC梁的极限挠度较PNC梁偏大4.04％～19.03％,而随着配筋率的持续增大,两种混凝土梁的极限挠度差距逐渐缩小直至基本消失,即混凝土材料性能对试件变形能力的影响会随着配筋率的增大逐渐减小;PSRC梁的受弯承载力与PNC梁相差幅度不超过3％,说明再生骨料的存在对受弯承载力影响并不大;在相同荷载作用下,当混凝土出现裂缝后,PSRC梁的钢筋应变曲线略低于PNC梁,由于PSRC梁开裂时间较早,受拉区混凝土传递的拉应力由裂缝处的纵筋提前承担,导致PSRC梁开裂处受拉钢筋应变偏大。【结论】本文基于开裂处应变模拟数据修正受拉钢筋应变不均匀系数,得到了确定PSRC梁的最大裂缝宽度的新方法,通过公式推导得出新方法的建议公式,并采用建议公式和GB50010—2010规范公式对最大裂缝宽度进行计算,发现新方法的计算值和实测值吻合较好,且该计算值较GB50010—2010规范公式的计算值对最大裂缝宽度的预测更加准确,为后续规范修订提供了参考依据。